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水 利 学 报

2025 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2025）10-1338-11

人工智能算法在黑龙江流凌分布密度分析中的应用

汪恩良 1， 2 ，吴晨宇 ，姜海强 1，2 ，刘兴超 1，2 ，韩红卫 1，2 ，周腾飞 1

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（1. 东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030；
2. 黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030）
摘要：春季北方江河的解冻期易发生流凌灾害。为了从河面监测图像中获得精确、连续的流凌分布密度信息，基
于无人机所获流凌图像，对畸变较大的岸基倾斜摄影数据进行校正，然后对图像进行灰度化处理，并通过顶帽算
法与维纳滤波使图像亮度均衡化，再选用最优的 OTSU 阈值分割算法实现了图片的二值化，最后提取出流凌分布
密度信息，通过分析流凌分布密度随时间变化的折线图来验证图像校正后的效果。结果表明，通过校正后流凌图
像计算得到的流凌分布密度要比通过原倾斜摄像所得结果更准确，精度最高提升 10 倍，证明了 OTSU 算法具有准
确、高效的特点，可为流凌分布密度的连续监测分析提供新途径。
关键词：流凌分布密度；OTSU 算法；校正算法；灰度阈值；顶帽变换算法
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中图分类号：TV698.1 6 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240322

1 研究背景

我国高寒地区春季河冰解冻时，易发生流凌灾害，造成严重损失，是该地区重大自然灾害之
一 ［1-2］ 。流凌的产生、发展及消融是一个极其复杂的过程，与热力学因素和水力学条件密切相关，这
［3］
也让流凌的演变过程极易受气候变化影响 ；流凌随着水流运动易堆积在束窄的河道、卡口、弯道、
变化的断面以及尚未解冻冰盖前缘等处，进而形成冰塞、冰坝。冰塞、冰坝是高纬度地区河道冬季封
［4］
冻、解冻期常见的流凌现象 ，其不仅会堵塞河道，壅高上游水位，导致凌汛灾害 ［4-6］ ，还会影响输水
［7］
工程的安全性，降低输水能力 。为预防凌汛灾害，精确掌握流凌分布密度数据至关重要。流凌分布
密度指的是流凌面积所占河流面积的百分比，由于其能定量反映特定河段的流凌流量，因此常作为科
［8］
学防治凌汛灾害的重要指标 。现在主流的观测解冻期河冰流凌分布密度的方法有 3 种，分别是目估
法 、地电冰凌监测法 ［10］ 及卫星遥感监测法 ［11］ 。目估法通过目测来估计河中流凌的分布密度，操作简
［9］
洁但需要观测者具有丰富的现场观测经验，由于人为原因易使量化数据误差较大。地电冰凌监测法是
用地形电阻率测试来对地层岩性及其变化进行反演的一种方法，但其无法获取直观、清晰的小范围流
凌图像 ［12］ 。卫星遥感监测法是通过卫星遥感获取流凌分布密度数据。如 Rivo 等 ［13］ 通过雷达卫星及其搭
载的光谱仪得到了欧洲北部波罗的海海域的流凌分布密度监测数据。卫星遥感监测法虽有较广的监测
范围，但其遥感数据的空间分辨率较低，难以准确反映河道的局部弯曲细节，也不能短时间内对同一
地区进行监测，导致获取的流凌分布密度数据不够连续 ［14］ 。
随着摄影技术的进步，摄像机被广泛应用在流凌分布密度监测中。Muramoto 等 ［15］ 在 1988 年将摄
像机首次应用于海冰的流凌密集度监测领域，此外，Muramoto 还提出了如何划分图像才能得到航行沿

收稿日期：2024-05-30；网络首发日期：2025-09-17
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20250916.0932.002
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基金项目：水利部重大科技项目（SKS-2022017）；黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2023D001）
作者简介：汪恩良（1971—），博士，教授，主要从事冻土及水工建筑物冻害防治技术研究。E-mail：HLJWEL@126.com
通信作者：姜海强（1990—），博士，讲师，主要从事冻土与寒区水利工程研究。E-mail：hqjiang@neau.edu.cn
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